PID控制算法是什么

** PID控制算法** ，是結(jié)合比例（P）、積分（I）和微分（D）三環(huán)所提供的負反饋信號來修正系統(tǒng)誤差，以保障系統(tǒng)相對穩(wěn)定或平衡的控制算法。

但它不等同于三環(huán)控制，三環(huán)控制僅是PID算法的具體應(yīng)用之一。

01.何為反饋

瓦力 ：

反饋指系統(tǒng)的輸出信號再作為其輸入信號的作用過程。

而按照反饋信號的極性，可分為正反饋和負反饋。

** 正反饋**指受控部分（系統(tǒng)）的反饋（輸出）信號，其方向與控制（輸入）信號一致，并能加強控制部分的活動。而這一反饋（輸出）信號將再次被輸入系統(tǒng)，并同向影響其輸出結(jié)果，以此不斷增大受控量的實際值與期望值之間的偏差，使系統(tǒng)趨向于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

例如河水受到污染導(dǎo)致河魚大量死亡，死魚的尸體再次污染河水因此死魚更多。河水的實際污染情況與期望的清澈程度之間的差距越來越大，這是生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出的正反饋。

反之，負反饋即反饋信號與輸入信號的極性相反或變化方向相反，其疊加的結(jié)果將使凈輸入信號減弱。例如人在體溫上升時會流汗，流汗會散熱使體溫下降。

02.PID控制算法

瓦力 ：

而PID控制算法同樣蘊含負反饋邏輯，并服務(wù)于人類生活。

例如日常的空調(diào)控溫，試想若沒有PID控制算法，僅憑空調(diào)系統(tǒng)的原始調(diào)控能力，會產(chǎn)生控溫偏差大、響應(yīng)速度慢等弊端——

假設(shè)期望室溫為30℃，但空調(diào)系統(tǒng)無法通過負反饋信號得知實際的溫度偏差情況，而只能機械式吹出30℃的風(fēng)，導(dǎo)致室溫極可能永遠無法精準(zhǔn)達到預(yù)期的30℃。并且實際的環(huán)境溫度越低，空調(diào)對室溫的調(diào)節(jié)速度越慢。

瓦力 ：

但當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)加入PID控制算法后，情況便大不相同。

#1

比例控制

比例控制作為一種最簡單的控制方式，能使輸入信號成比例地反應(yīng)輸出信號，以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，使系統(tǒng)較原始狀態(tài)而言趨于準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

例如要使室溫從30℃降至20℃，借助比例控制算法便能將降溫10℃的任務(wù)目標(biāo)，等比例分作10份交由空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行。那么空調(diào)系統(tǒng)若以1℃/S的速度降溫，從理論層面來講，當(dāng)?shù)?0秒時就能達到預(yù)期的室溫值。

瓦力 ：

但由于空調(diào)系統(tǒng)不一定精準(zhǔn)地以1℃/S的速度降溫，且結(jié)合當(dāng)時的室溫情況，室內(nèi)每秒的實降溫度也并非準(zhǔn)確為1℃，存在著 穩(wěn)態(tài)誤差 。

所以若只對系統(tǒng)引入比例控制，僅能對其穩(wěn)定性稍作改善，而穩(wěn)態(tài)誤差的累積仍會使預(yù)期值與實際值之間產(chǎn)生較大偏差。

并且若單純應(yīng)用比例控制，給定系統(tǒng)的比例過小，其調(diào)控作用會太弱；給定的比例過大，又會使系統(tǒng)因反應(yīng)過疾而狀態(tài)不穩(wěn)，產(chǎn)生明顯的震蕩。

同樣是使室溫從30℃降至20℃的目標(biāo)，被等比例分作10份交由空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行。空調(diào)系統(tǒng)第1S的理想降溫為1℃，可能實際降溫為1.1℃，產(chǎn)生了誤差。

但引入積分控制后的系統(tǒng)，能及時反應(yīng)出前1S中0.1℃的控溫偏差，并將實際余下8.9℃的降溫任務(wù)，分由后9S時間去執(zhí)行，并以此邏輯遞推來不斷調(diào)整系統(tǒng)接下來的控制實況。

#2

積分控制

#3

微分控制

P+I的控制模式，已然較大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但系統(tǒng)收到信號反饋的變化，總是落后于誤差的變化，致使系統(tǒng)控制仍存在固有的 滯后性 。且系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中，可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。

瓦力 ：

微分就像是個“預(yù)言家”。微分控制能憑借系統(tǒng)已產(chǎn)生的誤差，預(yù)測接下來的誤差趨勢，并以此 提前修正誤差 。

同樣是空調(diào)控溫，系統(tǒng)加入微分控制后，能通過誤差的變化率來判斷系統(tǒng)將要上升還是下降，提前改變其控制量。此舉與積分作用形成了互補，降低了系統(tǒng)的動態(tài)偏差量，并提高了其調(diào)控速率。

PID控制算法，被皓煊應(yīng)用于 仿生機械臂 、人機交互式玩具手堡等研發(fā)工作。它還能實現(xiàn)以簡易方式編譯、處理低級存儲器的C語言，并憑其算法簡單明了、適應(yīng)性好、魯棒性強等特點，被廣泛應(yīng)用于能源、化工、制造、航天等多個領(lǐng)域，是當(dāng)之無愧的 超級算法 。